TWI439413B - 微機電感測裝置及其製作方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種微機電感測裝置及其製造方法，特別是指一種整合封裝製程之微機電感測裝置及其製造方法。
微機電MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)元件是利用半導體製程技術，整合電子及機械功能製作而成的微型裝置，主要的產品類別大致可分為壓力感測器、加速計、陀螺儀、光通訊元件、DLP(數位光源處理)、噴墨頭以及無線網路RF感測元件等。目前已逐漸應用在包括汽車胎壓量測、光通訊網路、投影機、感測網路、數位麥克風、時脈振盪器，以及包括互動遊戲機在內的多種產品之中。甚至在新一代記憶體技術、生物晶片、顯示技術、新興能源等先進研究方面，它也扮演了重要的角色。
傳統微機電晶片需要經由繁複之封裝(assembling)製程，形成一可以被應用及結合於上述產品內之元件，例如：QFN(Quad Flat No leads)或LGA(Land Grid Array)封裝型式之元件。第1圖顯示先前技術之壓力感測器之剖視圖。如第1圖所示，該壓力感測器10包含一微機電晶片11、一封裝殼體13、一絕緣膠體15、複數個銲線17及一QFN導線架19。
該微機電晶片11係固定於該QFN導線架19之晶片墊(die pad)193上，又藉由該複數個銲線17與該QFN導線架19之複數個接點191電性連接。再將該封裝殼體13覆蓋該微機電晶片11，並與該QFN導線架19相互接合。該封裝殼體13上之通孔131使得該壓力感測器10外部空氣壓力直接作用於
該微機電晶片11上，如此就能測得該外部空氣之壓力值。然此種QFN或LGA封裝型式之微機電元件，需要實施複雜之封裝製程及採用多種材料才能完成，顯然無法滿足目前微機電感測裝置之低成本需求。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種一種微機電感測裝置之製造方法，可於微機電CMOS製程製作後進行晶圓級(wafer level)封裝製程，不僅簡化封裝製程，更能降低製造成本。
與本案相關之專利可參閱美國專利US 6,012,336；US 6,536,281；US 6,928,879；US 7,121,146；US 6,743,654；US 7,135,749等。
本發明目的在提供一種整合封裝製程之微機電感測裝置之製造方法。
為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種一種微機電感測裝置，包含：一基板；一位於該基板上之微機電元件區；一膜層，係覆蓋於該微機電元件區上，並使該腔室成為一密閉空間；一黏著層；一蓋體，藉由該黏著層固定於該微機電元件區上；以及複數個導線，電性連接該微機電元件區，並延伸至該第二表面上。
在其中一種實施型態中，另包含：至少一個開口，係位於該蓋體或該黏著層。
在其中一種實施型態中，該微機電元件區包括一可變電容單元，該可變電容單元之電容值係隨該外部空氣施於該膜層之壓力而改變。
在其中一種實施型態中，該複數個導線係貫穿該基板之直通矽晶穿孔。
在其中一種實施型態中，該複數個導線係複數個T接點(T contact)。
在其中一種實施型態中，上述該開口允許該微機電感測裝置之外部空氣施壓力於該膜層。
就另一個觀點言，本發明提供了一種微機電感測裝置之製造方法，包含：提供一基板，其中該基板包括一第一表面及一相對該第一表面之第二表面；於該基板之第一表面上形成複數個金屬層及一絕緣區域之疊層；形成一遮罩層於該疊層上；去除該絕緣區域之部分區域以形成一腔室；覆蓋一膜層於該遮罩層上，並使該腔室成為一密閉空間；藉由一黏著層固定一蓋體於該微機電元件區上；形成複數個導線於該基板，其中該複數個導線電性連接該微機電元件區，並延伸至該第二表面上；以及於該蓋體形成至少一個開口。
在其中一種實施型態中，該複數個導線係貫穿該基板之直通矽晶穿孔。
在其中一種實施型態中，該複數個導線係複數個T接點(T contact)。
在其中一種實施型態中，該開口允許該微機電感測裝置之外部空氣施壓力於該膜層。
就另一個觀點言，本發明又提供了一種微機電感測裝置之製造方法，包含：提供一基板，其中該基板包括一第一表面及一相對該第一表面之第二表面；於該基板之第一表面上形成複數個金屬層及一絕緣區域之疊層；形成一遮罩層於該疊層上；去除該絕緣區域之部分區域以形成一腔室；覆蓋一膜層
於該遮罩層上，並使該腔室成為一密閉空間；藉由一黏著層固定一蓋體於該微機電元件區上，其中該黏著層具有至少一開口；以及形成複數個導線於該基板，其中該複數個導線電性連接該微機電元件區，並延伸至該第二表面上。
在其中一種實施型態中，該複數個導線係貫穿該基板之直通矽晶穿孔。
在其中一種實施型態中，該複數個導線係複數個T接點(T contact)。
在其中一種實施型態中，該開口允許該微機電感測裝置之外部空氣施壓力於該膜層。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示微機電感測裝置之製造步驟以及各層之間之上下次序關係，至於形狀、厚度與寬度則並未依照比例繪製。
請參閱第2A-2G圖之剖面流程圖，顯示本發明的一個實施例，本實施例顯示一種微機電感測裝置之製造方法。如第2A圖所示，首先提供一基板21，例如但不限於為矽基板，接著於基板21之第一表面211上形成複數個金屬層(例如：鋁)271、複數個通道層(例如：鎢)273及一絕緣區域(例如：二氧化矽)25之疊層。並於該疊層上形成一遮罩(hard mask)層23(例如：若絕緣區域25為例示之二氧化矽，又假設後續蝕刻製程是採HF氣體之乾蝕刻，則可選擇氮化物(氮化矽、氮化鈦等)、金屬材料(含銅、鋁、鎢或鈦之合金)作為該遮罩
層23或其他能抵抗HF蝕刻之適合材料。又該遮罩層23之適合材料係依照蝕刻製程及待蝕刻物而決定，並不受此例示材料而限定。)。上述步驟可採一般CMOS製程完成，但本發明不限於此實施例所示之疊層，可以為不同金屬及絕緣材料之疊層，又疊層之前後順序及圖案方式可以有不同變化。又該基板21另包括一第二表面212，該第一表面211係與該第二表面212相對。
該遮罩層23係一具有定義圖案之金屬層或一絕緣材料層，可作為後續蝕刻製程之遮罩。如第2B圖所示，採用蝕刻製程去除該絕緣區域25之部分區域以形成一腔室275以及一可變電容之移動電極部276，此蝕刻後之疊層即為一微機電元件區27，又該可變電容之固定電極部未繪示。在本實施例中，當腔室275壓力改變時，該移動電極部276會相應而移動，從而使該可變電容產生不同之電容值。本發明之微機電元件區不限於感測壓力改變，亦可為偵測加速度或作其他感測目的之微機電結構等；當移動或壓力等原因造成微機電結構中可變電容產生電容值的改變，即可根據該改變來運算而達成所欲的目的。上述蝕刻製程可採HF氣體之乾蝕刻。
參見第2C圖，覆蓋一膜層29於該遮罩層23上，並使該腔室275成為一密閉空間。該膜層29可以採金屬沉積製程，於該遮罩層23表面形成一金屬膜，且一併將該腔室275與外部連通之開口密封。接著，將該膜層29及該遮罩層23之部分去除，使得最上層之該金屬層271之外側部分露出，如第2D圖所示。當該遮罩層23為絕緣材料層，則此步驟可以省略。但若後續是要實施T接點(T contact；參見圖3)製程，則此步驟仍有存在之需要。
如第2E圖所示，藉由一黏著層22固定一蓋體24於該微機電元件區27上。此實施例之該黏著層22係塗佈於該微機電元件區27上該膜層29表面，而和該蓋體24結合。然該黏著層22之塗佈位置不受此實施例限制。於該第二表面212形成貫穿該基板21之複數個直通矽晶穿孔26，如第2F圖。且該直通矽晶穿孔26和該基板21間有一絕緣層215(例如：二氧化矽)，用以使該直通矽晶穿孔26絕緣於該基板21。
如第2G圖所示，於該蓋體24形成至少一個開口28，藉由該開口28，外部空氣壓力直接作用於該微機電元件區27上該膜層29，如此該微機電感測裝置20就能測得該外部空氣之壓力值。該開口28亦可以預先形成於該蓋體24上，然後再將具有該開口28之該蓋體24固定於於該微機電元件區27上。
除了直通矽晶穿孔，本發明亦可採T接點連接該微機電元件區27，及作為外部之接點。如圖3所示，該微機電感測裝置30係以T接點36連接該微機電元件區27之最上層露出之金屬層271，該T接點36之導線延伸至該基板21之第二表面212上，此延伸在第二表面212之部分係作為該微機電感測裝置30之外部接點。且該T接點36之導線和該微機電元件區27及該基板21間有一絕緣層31，用以使該T接點36絕緣於該微機電元件區27及該基板21。
第4圖係顯示本發明另一實施例之剖視圖。相較於第2G圖中該微機電感測裝置10，本圖中該微機電感測裝置40之蓋體24並無開口，但該黏著層42非封閉型式塗佈於該膜層29表面，係有至少一開口48可供外部空氣壓力作用於該膜層29上。參見第3圖之該微機電感測裝置30，本圖中該微機電感測裝置40亦可採T接點連接該微機電元件區27，及作為外部
之接點。
綜上所述，本發明提出一種微機電感測裝置及其製造方法，可於微機電CMOS製程製作後，進行高產出量(high throughput)之晶圓級封裝製程。相較於傳統QFN或LGA封裝型式之微機電裝置，需要實施複雜之封裝製程及採用多種材料才能完成，本發明不僅簡化封裝製程，更能降低製造成本。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，在不影響該微機電元件區主要的特性下，可加入其他製程步驟或結構。或者，置換微機電元件區為其他感測功能之元件，例如：質量塊等，亦為本發明保護之範疇。本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
10‧‧‧壓力感測器
11‧‧‧微機電晶片
13‧‧‧封裝殼體
15‧‧‧絕緣膠體
17‧‧‧複數個銲線
19‧‧‧QFN導線架
20、30、40‧‧‧微機電感測裝置
21‧‧‧基板
22、42‧‧‧黏著層
23‧‧‧遮罩層
24‧‧‧蓋體
25‧‧‧絕緣區域
26‧‧‧直通矽晶穿孔
27‧‧‧微機電元件區
28、48‧‧‧開口
29‧‧‧膜層
31‧‧‧絕緣層
36‧‧‧T接點
131‧‧‧通孔
191‧‧‧接點
193‧‧‧晶片墊
211‧‧‧第一表面
212‧‧‧第二表面
215‧‧‧絕緣層
271‧‧‧金屬層
273‧‧‧通道層
275‧‧‧腔室
276‧‧‧移動電極部
第1圖顯示先前技術之壓力感測器之剖視圖。
第2A-2G之剖面流程圖，顯示本發明之微機電感測裝置的第一實施例。
第3圖顯示本發明的第二實施例。
第4圖顯示本發明的第三實施例。
20‧‧‧微機電感測裝置
21‧‧‧基板
22‧‧‧黏著層
23‧‧‧遮罩層
24‧‧‧蓋體
25‧‧‧絕緣區域
26‧‧‧直通矽晶穿孔
27‧‧‧微機電元件區
28‧‧‧開口
29‧‧‧膜層
211‧‧‧第一表面
212‧‧‧第二表面
215‧‧‧絕緣層
271‧‧‧金屬層
273‧‧‧通道層
275‧‧‧腔室
276‧‧‧移動電極部
Claims (17)
- 一種微機電感測裝置，包含：一基板，其中該基板包括一第一表面及一相對該第一表面之第二表面；一位於該基板之該第一表面上之一微機電元件區，其中該微機電元件區具有一腔室；一位於該微機電元件區上之遮罩層，其中該遮罩層具有至少一開孔；一膜層，係覆蓋於該遮罩層上，並使該腔室成為一密閉空間，其中該密閉空間的一下端係為該基板之該第一表面；一黏著層，係設於該膜層表面；一蓋體，藉由該黏著層固定於該微機電元件區上；至少一個開口，係位於該蓋體或該黏著層；以及複數個導線，電性連接該微機電元件區，並延伸至該第二表面上。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電感測裝置，其中該微機電元件區包括一可變電容單元，該可變電容單元之電容值係隨外部空氣施於該膜層之壓力而改變。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電感測裝置，其中該複數個導線係貫穿該基板之複數個直通矽晶穿孔或複數個T接點。
- 如申請專利範圍第3項所述之微機電感測裝置，其中該複數個導線和該基板或該微機電元件區間有一絕緣層。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電感測裝置，其中該膜層係一金屬膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電感測裝置，其中該遮 罩層係一金屬層，該微機電元件區之部分線路未被該膜層及該遮罩層覆蓋，且複數個導線連接未覆蓋之該部分線路。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電感測裝置，其中該微機電感測裝置係一壓力感測器。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電感測裝置，其中該開口係位於該黏著層上，該黏著層係非封閉型式，及設於該膜層表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電感測裝置，其中該開口允許該微機電感測裝置之外部空氣施壓力於該膜層。
- 一種微機電感測裝置之製造方法，包含：提供一基板，其中該基板包括一第一表面及一相對該第一表面之第二表面；於該基板之該第一表面上形成一疊層，其中該疊層包含有複數個金屬層及一絕緣區域；形成一遮罩層於該疊層上，其中該遮罩層具有暴露出部分該絕緣區域之材料之至少一開孔；透過該至少一開孔去除該絕緣區域之部分材料以形成一腔室及位於該腔室內的至少一移動部，其中被蝕刻後之該疊層定義為一微機電元件區；覆蓋一膜層於該遮罩層上以密封該至少一開孔並使該腔室成為一密閉空間；以及於該腔室形成一密閉空間後，形成複數個導線於該基板，其中該複數個導線電性連接該微機電元件區，並延伸至該第二表面上。
- 如申請專利範圍第10項所述之微機電感測裝置之製造方法，其中該複數個導線係貫穿該基板之複數個直通矽晶穿孔或 複數個T接點。
- 如申請專利範圍第10項所述之微機電感測裝置之製造方法，更包含：藉由一黏著層固定一蓋體於該微機電元件區上。
- 如申請專利範圍第12項所述之微機電感測裝置之製造方法，更包含：於該蓋體形成至少一個開口。
- 如申請專利範圍第13項所述之微機電感測裝置之製造方法，其中於該蓋體形成至少一個開口之步驟係在該蓋體固定於該微機電元件區上之步驟之前。
- 如申請專利範圍第10項所述之微機電感測裝置之製造方法，其中該開口允許該微機電感測裝置之外部空氣施壓力於該膜層。
- 如申請專利範圍第10項所述之微機電感測裝置之製造方法，其中該密閉空間的一下端係為該基板之該第一表面。
- 如申請專利範圍第10項所述之微機電感測裝置之製造方法，其中該絕緣區域之材料包括二氧化矽。
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